JPH06234571A - 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 - Google Patents
窒化珪素質焼結体およびその製造方法Info
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- JPH06234571A JPH06234571A JP5022662A JP2266293A JPH06234571A JP H06234571 A JPH06234571 A JP H06234571A JP 5022662 A JP5022662 A JP 5022662A JP 2266293 A JP2266293 A JP 2266293A JP H06234571 A JPH06234571 A JP H06234571A
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Abstract
(57)【要約】
【構成】Ｌｕ2 Ｏ3 、あるいはＬｕ2 Ｏ3 とそれ以外の
周期律表第３ａ族元素の１種以上が０．１〜１０モル％
で、酸化珪素（ＳｉＯ2 ）の周期律第３ａ族酸化物（Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 ）の合量に対するモル比が２以上の組成からな
り、残部が窒化珪素からなる成形体を非酸化性雰囲気で
焼成し、冷却過程または焼成終了後の熱処理により、窒
化珪素を主結晶相とする粒界相に少なくともＲＥ2 Ｓｉ
2 Ｏ7 （ＲＥは周期律表第３ａ族元素）結晶を析出させ
る。 【効果】室温から高温、特に１５００℃までの強度劣化
が小さく、優れた耐酸化性を有する窒化珪素質焼結体を
提供することができる。
周期律表第３ａ族元素の１種以上が０．１〜１０モル％
で、酸化珪素（ＳｉＯ2 ）の周期律第３ａ族酸化物（Ｒ
Ｅ2 Ｏ3 ）の合量に対するモル比が２以上の組成からな
り、残部が窒化珪素からなる成形体を非酸化性雰囲気で
焼成し、冷却過程または焼成終了後の熱処理により、窒
化珪素を主結晶相とする粒界相に少なくともＲＥ2 Ｓｉ
2 Ｏ7 （ＲＥは周期律表第３ａ族元素）結晶を析出させ
る。 【効果】室温から高温、特に１５００℃までの強度劣化
が小さく、優れた耐酸化性を有する窒化珪素質焼結体を
提供することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は室温から高温までの強度
特性に優れ、特に、自動車用部品やガスタ−ビンエンジ
ン用部品等に使用される窒化珪素質焼結体およびその製
造方法に関する。
特性に優れ、特に、自動車用部品やガスタ−ビンエンジ
ン用部品等に使用される窒化珪素質焼結体およびその製
造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】従来から、窒化珪素質焼結体は、耐熱性、
耐熱衝撃性、および耐酸化特性に優れることからエンジ
ニアリングセラミックス、特にタ−ボロ−タ−等の熱機
関用として応用が進められている。この窒化珪素質焼結
体は、一般には窒化珪素に対してＹ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3
あるいはＭｇＯなどの焼結助剤を添加することにより高
密度で高強度の特性が得られている。このような窒化珪
素質焼結体に対しては、さらにその使用条件が高温化す
るに際して、高温における強度および耐酸化特性のさら
なる改善が求められている。かかる要求に対して、これ
まで焼結助剤の検討や焼成条件等を改善する等各種の改
良が試みられている。
耐熱衝撃性、および耐酸化特性に優れることからエンジ
ニアリングセラミックス、特にタ−ボロ−タ−等の熱機
関用として応用が進められている。この窒化珪素質焼結
体は、一般には窒化珪素に対してＹ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3
あるいはＭｇＯなどの焼結助剤を添加することにより高
密度で高強度の特性が得られている。このような窒化珪
素質焼結体に対しては、さらにその使用条件が高温化す
るに際して、高温における強度および耐酸化特性のさら
なる改善が求められている。かかる要求に対して、これ
まで焼結助剤の検討や焼成条件等を改善する等各種の改
良が試みられている。
【０００３】その中で、従来より焼結助剤として用いら
れてきたＡｌ2 Ｏ3 等の低融点酸化物が高温特性を劣化
させるという見地から、窒化珪素に対してＹ2 Ｏ3 等の
周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）および酸化珪素からなる
単純な３元系（Ｓｉ3 Ｎ4 −ＳｉＯ2 −ＲＥ2 Ｏ3 ）の
組成からなる焼結体において、その焼結体の粒界にＳｉ
−ＲＥ−Ｏ−ＮからなるＹＡＭ相、アパタイト相等の結
晶相を析出させることにより粒界の高融点化および安定
化を図ることが提案されている。
れてきたＡｌ2 Ｏ3 等の低融点酸化物が高温特性を劣化
させるという見地から、窒化珪素に対してＹ2 Ｏ3 等の
周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）および酸化珪素からなる
単純な３元系（Ｓｉ3 Ｎ4 −ＳｉＯ2 −ＲＥ2 Ｏ3 ）の
組成からなる焼結体において、その焼結体の粒界にＳｉ
−ＲＥ−Ｏ−ＮからなるＹＡＭ相、アパタイト相等の結
晶相を析出させることにより粒界の高融点化および安定
化を図ることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、粒界
相を結晶化させると、粒界が非晶質である場合に比較し
て高温特性はある程度改善されるものの、高温で耐酸化
特性が不十分であり、また機械的特性に優れた安定な結
晶相の生成を行うことができないため、かかる焼結体の
実用化が阻害されており、さらなる強度の改良、および
耐酸化特性の改良が要求されている。
相を結晶化させると、粒界が非晶質である場合に比較し
て高温特性はある程度改善されるものの、高温で耐酸化
特性が不十分であり、また機械的特性に優れた安定な結
晶相の生成を行うことができないため、かかる焼結体の
実用化が阻害されており、さらなる強度の改良、および
耐酸化特性の改良が要求されている。
【０００５】よって、本発明は、特に低温から高温まで
の耐酸化特性に優れ、室温から高温までの自動車部品や
ガスタ−ビンエンジン用等で使用されるに十分な強度特
性、特に、室温から１５００℃の高温までの抗折強度に
優れた窒化珪素質焼結体を提供することを目的とするも
のである。
の耐酸化特性に優れ、室温から高温までの自動車部品や
ガスタ−ビンエンジン用等で使用されるに十分な強度特
性、特に、室温から１５００℃の高温までの抗折強度に
優れた窒化珪素質焼結体を提供することを目的とするも
のである。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】本発明者等は、焼結体
の強度特性、および耐酸化特性を高めるためには、焼結
体の組成および窒化珪素相の粒界に存在する副相を制御
することが重要であるという見地に基づき検討を重ねた
結果、窒化珪素に添加され粒界相を形成する周期律表第
３ａ族元素として少なくともＬｕを用い、しかもその粒
界相に特定の結晶相を形成させることにより上記目的が
達成されることを見出した。
の強度特性、および耐酸化特性を高めるためには、焼結
体の組成および窒化珪素相の粒界に存在する副相を制御
することが重要であるという見地に基づき検討を重ねた
結果、窒化珪素に添加され粒界相を形成する周期律表第
３ａ族元素として少なくともＬｕを用い、しかもその粒
界相に特定の結晶相を形成させることにより上記目的が
達成されることを見出した。
【０００７】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化
珪素結晶相を主相とし、Ｌｕ、あるいはＬｕとＬｕ以外
の周期律表第３ａ族元素のうちの１種以上、Ｓｉ、Ｏお
よびＮとを含む副相からなる焼結体であって、前記周期
律表第３ａ族元素が酸化物換算量の合計量で０．１〜１
０モル％の割合で含有され、且つ該焼結体の粒界相に少
なくともＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 （ＲＥは周期律表第３ａ族元
素）結晶が析出してなることを特徴とするものであっ
て、さらにその製法として、窒化珪素を主成分とし、Ｌ
ｕ2 Ｏ3 、あるいはＬｕ2 Ｏ3 とＬｕ2 Ｏ3 以外の周期
律表第３ａ族酸化物の１種以上を０．１〜１０モル％
と、酸化珪素（ＳｉＯ2 ）の周期率律表第３ａ族元素酸
化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）の合量とのＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 で
表されるモル比が２以上の組成からなる成形体を非酸化
性雰囲気で焼成した後、その冷却過程あるいは焼成後の
熱処理によって粒界相に少なくともをＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7
（ＲＥは周期率表第３ａ族元素）結晶を析出させること
を特徴とするものである。
珪素結晶相を主相とし、Ｌｕ、あるいはＬｕとＬｕ以外
の周期律表第３ａ族元素のうちの１種以上、Ｓｉ、Ｏお
よびＮとを含む副相からなる焼結体であって、前記周期
律表第３ａ族元素が酸化物換算量の合計量で０．１〜１
０モル％の割合で含有され、且つ該焼結体の粒界相に少
なくともＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 （ＲＥは周期律表第３ａ族元
素）結晶が析出してなることを特徴とするものであっ
て、さらにその製法として、窒化珪素を主成分とし、Ｌ
ｕ2 Ｏ3 、あるいはＬｕ2 Ｏ3 とＬｕ2 Ｏ3 以外の周期
律表第３ａ族酸化物の１種以上を０．１〜１０モル％
と、酸化珪素（ＳｉＯ2 ）の周期率律表第３ａ族元素酸
化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）の合量とのＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 で
表されるモル比が２以上の組成からなる成形体を非酸化
性雰囲気で焼成した後、その冷却過程あるいは焼成後の
熱処理によって粒界相に少なくともをＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7
（ＲＥは周期率表第３ａ族元素）結晶を析出させること
を特徴とするものである。
【０００８】以下、本発明を詳述する。本発明の窒化珪
素質焼結体は、窒化珪素を主成分としこれに添加物とし
て、Ｌｕ（ルテチウム）、あるいはＬｕとＬｕ以外の周
期律表第３ａ族元素の１種以上および過剰酸素を含むも
のである。ここで、過剰酸素とは、焼結体中の全酸素量
から焼結体中のＳｉ以外の周期律表第３ａ族元素が化学
量論的に酸化物を形成した場合に元素に結合している酸
素を除く残りの酸素量であり、そのほとんどは窒化珪素
原料に含まれる酸素、あるいは、ＳｉＯ2 等の添加物と
して混入するものであり、本発明では全てＳｉＯ2 とし
て存在するものとして考慮する。
素質焼結体は、窒化珪素を主成分としこれに添加物とし
て、Ｌｕ（ルテチウム）、あるいはＬｕとＬｕ以外の周
期律表第３ａ族元素の１種以上および過剰酸素を含むも
のである。ここで、過剰酸素とは、焼結体中の全酸素量
から焼結体中のＳｉ以外の周期律表第３ａ族元素が化学
量論的に酸化物を形成した場合に元素に結合している酸
素を除く残りの酸素量であり、そのほとんどは窒化珪素
原料に含まれる酸素、あるいは、ＳｉＯ2 等の添加物と
して混入するものであり、本発明では全てＳｉＯ2 とし
て存在するものとして考慮する。
【０００９】本発明の焼結体は、組織的には窒化珪素結
晶相を主相とするものであり、そのほとんどはβ−Ｓｉ
3 Ｎ4 からなる。また、その主相の粒界には少なくとも
Ｌｕ、Ｓｉ、ＮおよびＯなどが存在するが、Ｌｕ、ある
いはＬｕとＬｕ以外の周期律表第３ａ族元素の１種以上
および過剰酸素（酸化珪素として存在すると考えられ
る）が存在するが、本発明によれば、この粒界相にＲＥ
2 Ｓｉ2 Ｏ7 を析出させることが重要である。ここでＲ
Ｅとは、系中に存在する周期律表第３ａ族元素であり、
本発明では、Ｌｕ、あるいはＬｕとその他の周期律表第
３ａ族元素からなる。
晶相を主相とするものであり、そのほとんどはβ−Ｓｉ
3 Ｎ4 からなる。また、その主相の粒界には少なくとも
Ｌｕ、Ｓｉ、ＮおよびＯなどが存在するが、Ｌｕ、ある
いはＬｕとＬｕ以外の周期律表第３ａ族元素の１種以上
および過剰酸素（酸化珪素として存在すると考えられ
る）が存在するが、本発明によれば、この粒界相にＲＥ
2 Ｓｉ2 Ｏ7 を析出させることが重要である。ここでＲ
Ｅとは、系中に存在する周期律表第３ａ族元素であり、
本発明では、Ｌｕ、あるいはＬｕとその他の周期律表第
３ａ族元素からなる。
【００１０】本発明によれば、粒界相中にＬｕを含むこ
とでＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 の融点が上昇すると共に、ＲＥ2
Ｓｉ2 Ｏ7 とＳｉ3 Ｎ4 の二成分系の共晶温度が上昇
し、高温強度を高めることができる。この結晶相は焼結
過程では、窒化珪素粒子との反応により液相として存在
し焼結性を高めるが、冷却後そのまま、粒界相にガラス
相として残存すると高温強度を低下させてしまうと同時
に耐酸化特性を劣化させてしまう。よって、所定の冷却
過程あるいは熱処理によりＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 結晶相を析
出させることにより高温強度を高めると同時に耐酸化特
性を高めることができる。
とでＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 の融点が上昇すると共に、ＲＥ2
Ｓｉ2 Ｏ7 とＳｉ3 Ｎ4 の二成分系の共晶温度が上昇
し、高温強度を高めることができる。この結晶相は焼結
過程では、窒化珪素粒子との反応により液相として存在
し焼結性を高めるが、冷却後そのまま、粒界相にガラス
相として残存すると高温強度を低下させてしまうと同時
に耐酸化特性を劣化させてしまう。よって、所定の冷却
過程あるいは熱処理によりＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 結晶相を析
出させることにより高温強度を高めると同時に耐酸化特
性を高めることができる。
【００１１】また、上記結晶相を析出させるためには焼
結体の過剰酸素の酸化珪素換算量（ＳｉＯ2 ）のＬｕを
含む周期律表第３ａ族元素の合量の酸化物換算量（ＲＥ
2 Ｏ3 ）に対するモル比（ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 ）が２
以上であることが必要である。これは、上記比率が２未
満では、粒界相にＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 以外にＲＥ10Ｓｉ2
Ｏ23Ｎ4 やＲＥ10（ＳｉＯ4 ）6 Ｎ2 等で示されるアパ
タイト相が存在し始め、更に比率が小さくなるとアパタ
イト相が単独、またはＲＥ4 Ｓｉ2 Ｏ7 Ｎ2 で表される
ＹＡＭ相が析出し、耐酸化特性、特に９００℃付近での
耐酸化特性を劣化させてしまうためである。
結体の過剰酸素の酸化珪素換算量（ＳｉＯ2 ）のＬｕを
含む周期律表第３ａ族元素の合量の酸化物換算量（ＲＥ
2 Ｏ3 ）に対するモル比（ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 ）が２
以上であることが必要である。これは、上記比率が２未
満では、粒界相にＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 以外にＲＥ10Ｓｉ2
Ｏ23Ｎ4 やＲＥ10（ＳｉＯ4 ）6 Ｎ2 等で示されるアパ
タイト相が存在し始め、更に比率が小さくなるとアパタ
イト相が単独、またはＲＥ4 Ｓｉ2 Ｏ7 Ｎ2 で表される
ＹＡＭ相が析出し、耐酸化特性、特に９００℃付近での
耐酸化特性を劣化させてしまうためである。
【００１２】また、Ｌｕ、あるいはＬｕとＬｕ以外の周
期律表第３ａ族元素の１種以上の含有量は酸化物換算の
合計で０．１〜１０モル％、特に０．３〜５モル％であ
ることが望ましく、１０モル％を越えると、焼結体中に
占める粒界相の体積分率が増加し、焼結体の高温強度を
劣化させてしまうためである。なお、Ｌｕとその他の周
期律表第３ａ族元素との複合系では、Ｌｕが酸化物換算
量で０．１モル％、特に０．３モル％を下回らないよう
にすることが必要である。
期律表第３ａ族元素の１種以上の含有量は酸化物換算の
合計で０．１〜１０モル％、特に０．３〜５モル％であ
ることが望ましく、１０モル％を越えると、焼結体中に
占める粒界相の体積分率が増加し、焼結体の高温強度を
劣化させてしまうためである。なお、Ｌｕとその他の周
期律表第３ａ族元素との複合系では、Ｌｕが酸化物換算
量で０．１モル％、特に０．３モル％を下回らないよう
にすることが必要である。
【００１３】本発明によれば、粒界にＬｕ、あるいはＬ
ｕとＬｕ以外の周期律表第３ａ族元素の１種以上のＲＥ
2 Ｓｉ2 Ｏ7 （ＲＥ：周期律表第３ａ族元素）を析出さ
せるが、前述した（ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 ）モル比が
２．０以上、およそ２．５以下では結晶相としてＲＥ2
Ｓｉ2 Ｏ7 結晶相のみ析出するが、モル比率が２．５よ
り大きくなると、ＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 結晶以外にＳｉ2 Ｎ
2 Ｏが析出し始めるが、特性の点からは何ら問題がな
い。
ｕとＬｕ以外の周期律表第３ａ族元素の１種以上のＲＥ
2 Ｓｉ2 Ｏ7 （ＲＥ：周期律表第３ａ族元素）を析出さ
せるが、前述した（ＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 ）モル比が
２．０以上、およそ２．５以下では結晶相としてＲＥ2
Ｓｉ2 Ｏ7 結晶相のみ析出するが、モル比率が２．５よ
り大きくなると、ＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 結晶以外にＳｉ2 Ｎ
2 Ｏが析出し始めるが、特性の点からは何ら問題がな
い。
【００１４】なお、本発明に用いられるＬｕ以外の周期
律表第３ａ族元素としては、Ｙやランタノイド元素が挙
げられるが、特にＹｂ、Ｅｒが好ましい。
律表第３ａ族元素としては、Ｙやランタノイド元素が挙
げられるが、特にＹｂ、Ｅｒが好ましい。
【００１５】次に、本発明の窒化珪素質焼結体を製造す
る方法について説明すると、まず原料粉末として窒化珪
素を主成分とし、添加成分としてＬｕ2 Ｏ3 、あるいは
Ｌｕ2 Ｏ3 とＬｕ2 Ｏ3 以外の周期律表第３ａ族酸化物
の１種以上の粉末、さらに場合により酸化珪素粉末を添
加する。また、周期律表第３ａ族酸化物粉末と酸化珪素
粉末に代わり、これらの複合化合物粉末を用いたり、さ
らにこれらと窒化珪素との複合化合物粉末を用いること
も当然できる。用いる窒化珪素粉末は、それ自体α−Ｓ
ｉ3 Ｎ4 、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のいずれでもよく、それらの
粒子径は０．４〜１．２μｍが適当である。
る方法について説明すると、まず原料粉末として窒化珪
素を主成分とし、添加成分としてＬｕ2 Ｏ3 、あるいは
Ｌｕ2 Ｏ3 とＬｕ2 Ｏ3 以外の周期律表第３ａ族酸化物
の１種以上の粉末、さらに場合により酸化珪素粉末を添
加する。また、周期律表第３ａ族酸化物粉末と酸化珪素
粉末に代わり、これらの複合化合物粉末を用いたり、さ
らにこれらと窒化珪素との複合化合物粉末を用いること
も当然できる。用いる窒化珪素粉末は、それ自体α−Ｓ
ｉ3 Ｎ4 、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のいずれでもよく、それらの
粒子径は０．４〜１．２μｍが適当である。
【００１６】本発明によれば、これらの粉末を用いて、
Ｌｕ2 Ｏ3 、またはＬｕ2 Ｏ3 とＬｕ2 Ｏ3 以外の周期
律表第３ａ族酸化物の１種以上が０．１〜１０モル％、
特に０．３〜５モル％と、酸化珪素との配合により、過
剰酸素の酸化珪素換算量とＬｕ2 Ｏ3 を含む周期律表第
３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）の合量とのＳｉＯ2／
ＲＥ2 Ｏ3 で表されるモル比が２以上になるように調
製、混合する。この時の過剰酸素の酸化珪素換算量と
は、窒化珪素粉末に含まれる不純物酸素をＳｉＯ2換算
した量と添加する酸化珪素粉末、または珪素含有化合物
の酸化珪素換算量との合量である。
Ｌｕ2 Ｏ3 、またはＬｕ2 Ｏ3 とＬｕ2 Ｏ3 以外の周期
律表第３ａ族酸化物の１種以上が０．１〜１０モル％、
特に０．３〜５モル％と、酸化珪素との配合により、過
剰酸素の酸化珪素換算量とＬｕ2 Ｏ3 を含む周期律表第
３ａ族元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）の合量とのＳｉＯ2／
ＲＥ2 Ｏ3 で表されるモル比が２以上になるように調
製、混合する。この時の過剰酸素の酸化珪素換算量と
は、窒化珪素粉末に含まれる不純物酸素をＳｉＯ2換算
した量と添加する酸化珪素粉末、または珪素含有化合物
の酸化珪素換算量との合量である。
【００１７】このように得られた混合粉末を公知の成形
方法、例えば、プレス成形、鋳込み成形、押し出し成
形、射出成形、冷間静水圧成形等により所望の形状に成
形した後、得られた成形体を公知の焼成方法、例えば、
ホットプレス方法、常圧焼成、窒素ガス圧焼成により緻
密化することができる。さらには、これらの焼成後に熱
間静水圧焼成（ＨＩＰ）法により処理することにより緻
密化を高めることができる。また、その他の方法として
上記成形体または焼結体をガラスシ−ルしてＨＩＰ法に
て焼成することもできる。具体的な焼成条件は、窒化珪
素が分解しない窒素圧下で１５００〜１９５０℃の温度
で焼成する。なお、焼成温度が１９５０℃を越えると窒
化珪素結晶が粒子成長を起こし強度低下を引き起こす。
方法、例えば、プレス成形、鋳込み成形、押し出し成
形、射出成形、冷間静水圧成形等により所望の形状に成
形した後、得られた成形体を公知の焼成方法、例えば、
ホットプレス方法、常圧焼成、窒素ガス圧焼成により緻
密化することができる。さらには、これらの焼成後に熱
間静水圧焼成（ＨＩＰ）法により処理することにより緻
密化を高めることができる。また、その他の方法として
上記成形体または焼結体をガラスシ−ルしてＨＩＰ法に
て焼成することもできる。具体的な焼成条件は、窒化珪
素が分解しない窒素圧下で１５００〜１９５０℃の温度
で焼成する。なお、焼成温度が１９５０℃を越えると窒
化珪素結晶が粒子成長を起こし強度低下を引き起こす。
【００１８】次に、焼成後の冷却過程において徐冷する
か、またはその冷却過程で一時的に１０００〜１６００
℃で保持する。あるいは、焼成終了後に、１０００〜１
６００℃の非酸化性雰囲気中で１〜４８時間熱処理する
と、焼結体の粒界相に少なくともＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 （Ｒ
Ｅは周期律第３ａ族元素）結晶を析出させることができ
る。
か、またはその冷却過程で一時的に１０００〜１６００
℃で保持する。あるいは、焼成終了後に、１０００〜１
６００℃の非酸化性雰囲気中で１〜４８時間熱処理する
と、焼結体の粒界相に少なくともＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 （Ｒ
Ｅは周期律第３ａ族元素）結晶を析出させることができ
る。
【００１９】本発明の窒化珪素質焼結体およびその製法
によれば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ等の低融点の金
属酸化物が存在すると粒界相の結晶化が阻害されるとと
もに高温強度、高温耐酸化特性を劣化させるためにこれ
らの酸化物は合量で０．５重量％以下に制御することが
望ましい。
によれば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ等の低融点の金
属酸化物が存在すると粒界相の結晶化が阻害されるとと
もに高温強度、高温耐酸化特性を劣化させるためにこれ
らの酸化物は合量で０．５重量％以下に制御することが
望ましい。
【００２０】一方、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属や
それらの炭化物、窒化物、珪化物、またはＳｉＣなど
は、分散粒子やウイスカーとして本発明の焼結体中に存
在しても特性を劣化させるような影響が小さいことから
これらを周知技術に基づき、適量添加して複合材料とし
て特性の改善を行うことも当然可能である。
それらの炭化物、窒化物、珪化物、またはＳｉＣなど
は、分散粒子やウイスカーとして本発明の焼結体中に存
在しても特性を劣化させるような影響が小さいことから
これらを周知技術に基づき、適量添加して複合材料とし
て特性の改善を行うことも当然可能である。
【００２１】
【作用】窒化珪素焼結体の機械的特性および耐酸化特性
は粒界相によって決定される。
は粒界相によって決定される。
【００２２】粒界結晶相をＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 （ＲＥは周
期律表第３ａ族元素）に結晶化させることで、耐酸化特
性を向上できる。周期律表第３ａ族元素の中でもイオン
半径の小さい方が酸素の拡散が小さくなり、さらに耐酸
化特性が向上すると同時に、ＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 の融点や
窒化珪素とＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 の二成分系の融点を向上で
きる。ランタニド化合物の中で、Ｌｕは最もイオン半径
が小さく、Ｌｕ元素を用いることにより、室温から高
温、特に１５００℃まで優れた耐酸化特性と機械的特性
を付与することができる。
期律表第３ａ族元素）に結晶化させることで、耐酸化特
性を向上できる。周期律表第３ａ族元素の中でもイオン
半径の小さい方が酸素の拡散が小さくなり、さらに耐酸
化特性が向上すると同時に、ＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 の融点や
窒化珪素とＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 の二成分系の融点を向上で
きる。ランタニド化合物の中で、Ｌｕは最もイオン半径
が小さく、Ｌｕ元素を用いることにより、室温から高
温、特に１５００℃まで優れた耐酸化特性と機械的特性
を付与することができる。
【００２３】
【実施例】原料粉末として窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面
積８ｍ2 ／ｇ、α率９８％、酸素量１．２重量％、金属
不純物量０．０３重量％）とＬｕ2 Ｏ3 粉末、Ｌｕ2 Ｏ
3以外の周期律表第３ａ族元素酸化物粉末、酸化珪素粉
末を用いて、成形体組成が表１になるように秤量混合し
た。また、Ｌｕ2 Ｏ3 粉末、あるいはＬｕ2 Ｏ3 粉末と
その他の周期律表第３ａ族酸化物粉末と酸化珪素粉末か
ら合成したＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 粉末を用いて（試料Ｎｏ．
９）同様に表１に示す組成になるように調合した。そし
てその調合物にバインダ−を添加し、１ｔ／ｃｍ2 で金
型成形した。
積８ｍ2 ／ｇ、α率９８％、酸素量１．２重量％、金属
不純物量０．０３重量％）とＬｕ2 Ｏ3 粉末、Ｌｕ2 Ｏ
3以外の周期律表第３ａ族元素酸化物粉末、酸化珪素粉
末を用いて、成形体組成が表１になるように秤量混合し
た。また、Ｌｕ2 Ｏ3 粉末、あるいはＬｕ2 Ｏ3 粉末と
その他の周期律表第３ａ族酸化物粉末と酸化珪素粉末か
ら合成したＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 粉末を用いて（試料Ｎｏ．
９）同様に表１に示す組成になるように調合した。そし
てその調合物にバインダ−を添加し、１ｔ／ｃｍ2 で金
型成形した。
【００２４】得られた成形体を所定の温度に上げ、バイ
ンダ−を除去した後に焼成した。
ンダ−を除去した後に焼成した。
【００２５】焼成では、表１中、試料Ｎｏ．１〜１４の
成形体を組成変動を少なくするために炭化珪素中の匣鉢
に入れ、１０気圧窒素ガス気流中、１８５０℃で４時間
焼成した（ＧＰＳ法）。その後、粒界相の結晶化を十分
にするために、得られた焼結体に窒素気流中、１４００
℃、２４時間熱処理を施した。
成形体を組成変動を少なくするために炭化珪素中の匣鉢
に入れ、１０気圧窒素ガス気流中、１８５０℃で４時間
焼成した（ＧＰＳ法）。その後、粒界相の結晶化を十分
にするために、得られた焼結体に窒素気流中、１４００
℃、２４時間熱処理を施した。
【００２６】また、試料Ｎｏ．１５〜２２の成形体につ
いては、ガラスシ−ルＨＩＰ法にて焼結体を作製した。
具体的には、まず焼成に先立ち、成形体に対して焼成時
にシ−ル材であるガラス等との反応を防止するためガラ
スと濡れ性の悪いＢＮ粉末をスラリー化して成形体に塗
布するか、または、上記スラリ−をスプレ−塗布した。
次に、ＢＮ等が塗布された成形体をガラス製カプセルに
封入し、ＨＩＰ法にて１７００℃、２０００気圧で１時
間焼成した。その後、粒界相の結晶化を十分にするため
に、得られた焼結体に対して窒素気流中、１４００℃で
２４時間熱処理を施した。
いては、ガラスシ−ルＨＩＰ法にて焼結体を作製した。
具体的には、まず焼成に先立ち、成形体に対して焼成時
にシ−ル材であるガラス等との反応を防止するためガラ
スと濡れ性の悪いＢＮ粉末をスラリー化して成形体に塗
布するか、または、上記スラリ−をスプレ−塗布した。
次に、ＢＮ等が塗布された成形体をガラス製カプセルに
封入し、ＨＩＰ法にて１７００℃、２０００気圧で１時
間焼成した。その後、粒界相の結晶化を十分にするため
に、得られた焼結体に対して窒素気流中、１４００℃で
２４時間熱処理を施した。
【００２７】得られた焼結体をＪＩＳ−Ｒ１６０１にて
指定されている形状まで切断、加工、研磨して試料を作
製した。この試料についてアルキメデス法に基づく比重
測定し対理論密度比を算出し、ＪＩＳ−Ｒ１６０１に基
づく室温および１５００℃での４点曲げ抗折試験を実施
した。また。試料を９００℃空気中、または１５００℃
空気中に１００時間暴らし、重量増加量と試料の表面積
から単位表面積当たりの重量変化を求めた。また、Ｘ線
回折測定により、焼結体中の粒界相の結晶相を同定し
た。結果は表２に示した。
指定されている形状まで切断、加工、研磨して試料を作
製した。この試料についてアルキメデス法に基づく比重
測定し対理論密度比を算出し、ＪＩＳ−Ｒ１６０１に基
づく室温および１５００℃での４点曲げ抗折試験を実施
した。また。試料を９００℃空気中、または１５００℃
空気中に１００時間暴らし、重量増加量と試料の表面積
から単位表面積当たりの重量変化を求めた。また、Ｘ線
回折測定により、焼結体中の粒界相の結晶相を同定し
た。結果は表２に示した。
【００２８】なお、焼結体組成について、試料を粉砕
し、酸素量は最終二酸化炭素にて変換しての赤外線吸収
法で定量し、窒素量は熱伝導度により、珪素、Ｌｕを含
む周期律表第３ａ族元素はＩＣＰ発光分光分析により測
定したが、実質上、成形体組成から変化なかった。
し、酸素量は最終二酸化炭素にて変換しての赤外線吸収
法で定量し、窒素量は熱伝導度により、珪素、Ｌｕを含
む周期律表第３ａ族元素はＩＣＰ発光分光分析により測
定したが、実質上、成形体組成から変化なかった。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】表１および表２の結果によると、Ｌｕ2 Ｏ
3 を含まない他の周期律第３ａ族元素の酸化物単独を添
加した試料Ｎｏ．１〜３、１５は高温強度が低く、Ｓｉ
Ｏ2／ＲＥ2 Ｏ3 比が１．５の試料Ｎｏ．１０は粒界に
アパタイトが結晶化しており、耐酸化特性が大幅に劣化
していた。また、Ｌｕ2 Ｏ3 、あるいはＬｕ2 Ｏ3 と周
期律表第３ａ族元素の１種以上が１０モル％を越える試
料Ｎｏ．１４は、耐酸化特性が劣化していた。
3 を含まない他の周期律第３ａ族元素の酸化物単独を添
加した試料Ｎｏ．１〜３、１５は高温強度が低く、Ｓｉ
Ｏ2／ＲＥ2 Ｏ3 比が１．５の試料Ｎｏ．１０は粒界に
アパタイトが結晶化しており、耐酸化特性が大幅に劣化
していた。また、Ｌｕ2 Ｏ3 、あるいはＬｕ2 Ｏ3 と周
期律表第３ａ族元素の１種以上が１０モル％を越える試
料Ｎｏ．１４は、耐酸化特性が劣化していた。
【００３２】これらの比較例に対して、その他の本発明
に基づく試料は、いずれも粒界にＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 、あ
るいはＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 結晶とＳｉ2 Ｎ2 Ｏ7 結晶の析
出が認められ、いずれも優れた抗折強度、耐酸化特性を
示していた。
に基づく試料は、いずれも粒界にＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 、あ
るいはＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 結晶とＳｉ2 Ｎ2 Ｏ7 結晶の析
出が認められ、いずれも優れた抗折強度、耐酸化特性を
示していた。
【００３３】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
室温から高温、特に１５００℃まで強度劣化が小さく、
優れた耐酸化特性を有する窒化珪素焼結体を提供するこ
とができる。これにより、窒化珪素質焼結体のガスター
ビンなどの熱機関などをはじめとする各種構造用材料へ
の応用を拡大することができる。
室温から高温、特に１５００℃まで強度劣化が小さく、
優れた耐酸化特性を有する窒化珪素焼結体を提供するこ
とができる。これにより、窒化珪素質焼結体のガスター
ビンなどの熱機関などをはじめとする各種構造用材料へ
の応用を拡大することができる。
フロントページの続き (72)発明者 織田 武廣 鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ株 式会社総合研究所内 (72)発明者 田島 健一 鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ株 式会社総合研究所内 (72)発明者 岩井田 智広 鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ株 式会社総合研究所内
Claims (3)
- 【請求項１】窒化珪素結晶相を主相とし、Ｌｕ、あるい
はＬｕとＬｕ以外の周期律表第３ａ族元素のうちの１種
以上、Ｓｉ、ＯおよびＮとを含む粒界相からなる焼結体
であって、前記周期律表第３ａ族元素が酸化物換算量の
合計量で０．１〜１０モル％の割合で含有され、且つ前
記粒界相に少なくともＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7（ＲＥは周期律
表第３ａ族元素）結晶が析出してなることを特徴とする
窒化珪素質焼結体。 - 【請求項２】前記焼結体中の周期律表第３ａ族元素（Ｒ
Ｅ）の酸化物換算量（ＲＥ2 Ｏ3 ）と過剰酸素の酸化珪
素換算量（ＳｉＯ2 ）のＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3で表され
るモル比が２以上である請求項１記載の窒化珪素質焼結
体。 - 【請求項３】窒化珪素を主成分とし、Ｌｕ2 Ｏ3 、ある
いはＬｕ2 Ｏ3 とＬｕ2 Ｏ3 以外の周期律表第３ａ族元
素酸化物の１種以上を０．１〜１０モル％、酸化珪素
（ＳｉＯ2 ）と前記周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ
2 Ｏ3 ）の合量とのＳｉＯ2 ／ＲＥ2 Ｏ3 で表されるモ
ル比が２以上である組成からなる成形体を非酸化性雰囲
気で焼成した後、焼成後の冷却過程あるいは焼成後の熱
処理により粒界相に少なくともＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 （ＲＥ
は周期律表第３ａ族元素）結晶を析出させることを特徴
とする窒化珪素質焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5022662A JP2892246B2 (ja) | 1993-02-10 | 1993-02-10 | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5022662A JP2892246B2 (ja) | 1993-02-10 | 1993-02-10 | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06234571A true JPH06234571A (ja) | 1994-08-23 |
| JP2892246B2 JP2892246B2 (ja) | 1999-05-17 |
Family
ID=12089064
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5022662A Expired - Lifetime JP2892246B2 (ja) | 1993-02-10 | 1993-02-10 | 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2892246B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6187706B1 (en) | 1996-02-28 | 2001-02-13 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Silicon nitride sintered body and method of producing the same |
| JP2010235335A (ja) * | 2009-03-30 | 2010-10-21 | Kyocera Corp | セラミック焼結体、放熱基体および電子装置 |
-
1993
- 1993-02-10 JP JP5022662A patent/JP2892246B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6187706B1 (en) | 1996-02-28 | 2001-02-13 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Silicon nitride sintered body and method of producing the same |
| JP2010235335A (ja) * | 2009-03-30 | 2010-10-21 | Kyocera Corp | セラミック焼結体、放熱基体および電子装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2892246B2 (ja) | 1999-05-17 |
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